CN104864894A - 一种botdr布里渊散射谱寻峰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，该方法依据布里渊后向散射信号的产生原理，对布里渊谱进行噪声等级判定，并依据噪声等级不同对布里渊谱信号进行滤波、互相关等信号增强方法，降低了低信噪比条件下噪声对数据的影响，提升了高信噪比条件下计算效率；利用滤波、增强后的布里渊谱数据进行初次波峰寻找，提升了波峰寻找精度，增加了波峰寻找准确度，并结合脉冲宽度PW与半峰带宽参考参数BW的关系，使用原始数据进行两次筛选，进一步降低了寻峰误差，提升了寻峰精度。本发明方法在不改动硬件的前提下，提升了BOTDR产品测试多峰光纤时的准确度以及大应变条件下单峰光纤的空间分辨率，进一步扩大了BOTDR产品的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法。
背景技术
布里渊光时域反射计(BOTDR)依靠测量光纤中后向布里渊散射光的布里渊频移分布计算光纤的应变分布，脉冲光以一定的频率自光纤一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声子发生相互作用后产生布里渊散射，后向布里渊散射光沿光纤原路返回到入射端。由于光纤中布里渊散射光频移与光纤轴向应变和温度间存在线性关系，因此测量出光纤的布里渊散射频移分布即可计算出光纤中的应变分布。布里渊光时域反射计具有低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀、防水、抗潮湿、温度适应性强等特性，并且由于可以单端测量，施工难度较低而广受关注。布里渊光时域反射计可用于岩土工程健康监测、地质灾害预警监测、电缆及管道的健康监测等领域，是工程领域用于取代传统点式传感器的最有力的产品之一。
由于光纤材质、工艺都存在差异，在使用BOTDR产品进行应变检测时，有多种光纤的布里渊谱都会存在一个以上的波峰，每个波峰都包含有各自的应变/温度信息，如果能将光纤中每个波峰所在位置都准确的寻找到，就可以将每个波峰蕴含的应变/温度信息提取出来，就可以进行相互校正，将有效提升BOTDR产品的应变测试精度；对于一些特种光纤，布里渊谱中每个波峰都存在着各自的应变/温度的响应系数，将每个波峰的位置都准确找出，并对其应变/温度信息进行联立分析，即可实现BOTDR产品的应变/温度同时测试功能；同时，对于布里渊谱只存在一个波峰的光纤，在BOTDR产品的空间分辨率无法满足要求时，如果被测光纤所受应变增加，也会导致被测光纤测试出现另一个强度较低的测试峰，此时准确的找到强度较低的布里渊谱峰的位置，即可在空间分辨率不足的情况下计算光纤所受应变，能有效提高BOTDR产品的空间分辨率。
现有BOTDR产品的寻峰方式是将布里渊谱中强度最高的点作为布里渊谱波峰位置，只能实现单峰的寻找，布里渊谱中其它强度较低的波峰无法被找出、分析，导致其它波峰中的应变信息无法用于空间分辨率的提升或应变精度的提升；而且当布里渊谱信号较低，甚至与噪声强度接近时，传统的单峰搜寻方案很容易将噪声识别为布里渊谱峰，以此计算出的应变数据也存在极大的误差，影响了BOTDR产品的性能提升、推广与应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，其采用如下技术方案：
一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，包括如下步骤：
步骤101、读取布里渊谱数据频点数N、以及布里渊谱数据D[0]～D[N-1]；
步骤102、计算布里渊谱数据D[0]～D[N-1]中的最大值DMAX；
步骤103、判断布里渊谱数据信噪等级SL；
步骤104、将布里渊谱数据D中所有小于噪声阈值NT的点置为0，生成临时布里渊谱数据DL[0]～DL[N-1]；
步骤105、如果信噪等级SL≤2，执行步骤106，否则执行步骤107；
步骤106、对布里渊谱数据D[0]～D[N-1]进行数据增强，得到增强布里渊谱数据DZ[0]～DZ[N-1]；
步骤107、复制布里渊谱数据D[0]～D[N-1]，得到增强布里渊谱数据DZ[0]～DZ[N-1]；
步骤108、建立增强布里渊谱波峰标记数据BSZ[0]～BSZ[N-1]、临时布里渊谱波峰标记数据BSL[0]～BSL[N-1]、布里渊谱波峰标记数据BS[0]～BS[N-1]，并全部初始化为0；
步骤109、初步寻找增强布里渊谱数据DZ中的波峰点；
步骤110、对增强布里渊谱数据DZ所有标记为波峰的点进行初次筛选；
步骤111、读取脉冲宽度参数PW；
步骤112、根据脉冲宽度PW，计算半峰带宽参考参数BW；
步骤113、读取频率间隔参数FG；
步骤114、对临时布里渊谱波峰标记数据BSL中所有值为1的点进行二次筛选；
步骤115、将BSL[I]的值依次对应赋给BS[I]，0＜I＜N-1，输出布里渊谱波峰标记数据BS，BS数据中值为1的点即为波峰。
进一步，上述步骤103中，布里渊谱数据信噪等级SL判定方法如下：
步骤1031、如果DMAX≤50dB，转步骤1032，否则转步骤1033；
步骤1032、信噪等级SL为1，噪声阈值NT为40dB，转步骤1038；
步骤1033、如果50＜DMAX≤60dB，转步骤1034，否则转步骤1035；
步骤1034、信噪等级SL为2，噪声阈值NT为45dB，转步骤1038；
步骤1035、如果60＜DMAX≤70dB，转步骤1036，否则转步骤1037；
步骤1036、信噪等级SL为3，噪声阈值NT为50dB，转步骤1038；
步骤1037、信噪等级SL为4，噪声阈值NT为55dB；
步骤1038、布里渊谱数据信噪等级SL判定结束。
进一步，上述步骤109中，初次波峰判定方法如下：
步骤1091、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1092、如果DZ[I]为DZ[I-2]～DZ[I+2]中的最大值，转步骤1093，否则转步骤1094；
步骤1093、将BSZ[I]赋值为1；
步骤1094、将I的值增加1；
步骤1095、如果I≥N-1，转步骤1096，否则，转步骤1092；
步骤1096、初次波峰判定结束。
进一步，上述步骤110中，初次筛选判定方法如下：
步骤1101、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1102、如果BSZ[I]为1，转步骤1103，否则转步骤1104；
步骤1103、如果DL[I]为DL[I-2]～DL[I+2]中最大值，转步骤1105，否则转步骤1104；
步骤1104、将BSL[I]赋值为0，转步骤1106；
步骤1105、将BSL[I]赋值为1；
步骤1106、将I的值增加1；
步骤1107、如果I≥N-1，转步骤1108，否则，转步骤1103；
步骤1108、初次筛选判定结束。
进一步，上述步骤114中，二次筛选判定方法如下：
步骤1141、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1142、如果BSZ[I]为1，转步骤1143，否则转步骤1144；
步骤1143、计算IL；
步骤1144、将BSL[I]赋值为1，转步骤1148；
步骤1145、计算IR；
步骤1146、如果IR-I≤BW/2并且I-IL≤BW/2，转步骤1147，否则转步骤1144；
步骤1147、将BSL[I]赋值为0，转步骤1148；
步骤1148、将I的值增加1；
步骤1149、如果I≥N-1，转步骤1108，否则，转步骤1103；
步骤11410、二次筛选判定结束。
进一步，上述步骤1143中，IL的计算过程如下：
步骤11431、初始化J的值为I-1；
步骤11432、如果J≥0，转步骤11433，否则转步骤11434；
步骤11433、如果DL[J]≤1dB，转步骤11436，否则转步骤11435；
步骤11434、将IL赋值为0，转步骤11437；
步骤11435、将I的值减1，转步骤11432；
步骤11436、将IL赋值为J；
步骤11437、计算IL过程结束。
进一步，上述步骤1145中，IR的计算过程如下：
步骤11451、初始化J的值为I+1；
步骤11452、如果J≤N-1，转步骤11453，否则转步骤11454；
步骤11453、如果DL[J]≤1dB，转步骤11456，否则转步骤11455；
步骤11454、将IR赋值为N-1，转步骤11457；
步骤11455、将I的值减1，转步骤11452；
步骤11456、将IR赋值为J；
步骤11457、计算IL过程结束。
本发明具有如下优点：
本发明方法依据布里渊后向散射信号的产生原理，对布里渊谱进行噪声等级判定，并依据噪声等级不同对布里渊谱信号进行滤波、互相关等信号增强方法，降低了低信噪比条件下噪声对数据的影响，提升了高信噪比条件下计算效率；利用滤波、增强后的布里渊谱数据进行初次波峰寻找，提升了波峰寻找精度，增加了波峰寻找准确度，并结合脉冲宽度PW与半峰带宽参考参数BW的关系，使用原始数据进行两次筛选，进一步降低了寻峰误差，提升了寻峰精度。本发明方法在不改动硬件的前提下，提升了BOTDR产品测试多峰光纤时的准确度以及大应变条件下单峰光纤的空间分辨率，进一步扩大了BOTDR产品的应用领域。
附图说明
图1为本发明中一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法的流程示意图；
图2为本发明中布里渊谱数据信噪等级SL判定方法示意图；
图3为本发明中初次寻峰判定示意图；
图4为本发明中初次筛选判定示意图；
图5为本发明中二次筛选判定示意图；
图6为本发明中IL计算示意图；
图7为本发明中IR计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，包括如下步骤：
步骤101、读取布里渊谱数据频点数N、以及布里渊谱数据D[0]～D[N-1]。
步骤102、计算布里渊谱数据D[0]～D[N-1]中的最大值DMAX。
步骤103、判断布里渊谱数据信噪等级SL。
如图2所示，布里渊谱数据信噪等级SL判定方法如下：
步骤1031、如果DMAX≤50dB，转步骤1032，否则转步骤1033；
步骤1032、信噪等级SL为1，噪声阈值NT为40dB，转步骤1038；
步骤1033、如果50＜DMAX≤60dB，转步骤1034，否则转步骤1035；
步骤1034、信噪等级SL为2，噪声阈值NT为45dB，转步骤1038；
步骤1035、如果60＜DMAX≤70dB，转步骤1036，否则转步骤1037；
步骤1036、信噪等级SL为3，噪声阈值NT为50dB，转步骤1038；
步骤1037、信噪等级SL为4，噪声阈值NT为55dB；
步骤1038、布里渊谱数据信噪等级SL判定结束。
步骤104、将布里渊谱数据D中所有小于噪声阈值NT的点置为0，生成临时布里渊谱数据DL[0]～DL[N-1]。
步骤105、如果信噪等级SL≤2，执行步骤106，否则执行步骤107。
步骤106、对布里渊谱数据D[0]～D[N-1]进行数据增强，得到增强布里渊谱数据DZ[0]～DZ[N-1]；
可以使用的信号增强方法包括互相关法、平均滤波、中值滤波、小波滤波等方法。
步骤107、复制布里渊谱数据D[0]～D[N-1]，得到增强布里渊谱数据DZ[0]～DZ[N-1]。
步骤108、建立增强布里渊谱波峰标记数据BSZ[0]～BSZ[N-1]、临时布里渊谱波峰标记数据BSL[0]～BSL[N-1]、布里渊谱波峰标记数据BS[0]～BS[N-1]，并全部初始化为0。
步骤109、初步寻找增强布里渊谱数据DZ中的波峰点。
结合图3所示，初次寻峰判定原则为：遍历增强布里渊谱数据DZ，如数据DZ[I](0＜I＜N-1)是DZ[I-2～I+2]五个点中的最大值，将BSZ[I]赋值为1，否则BSZ[I]赋值为0。
具体判定方法如下：
步骤1091、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1092、如果DZ[I]为DZ[I-2]～DZ[I+2]中的最大值，转步骤1093，否则转步骤1094；
步骤1093、将BSZ[I]赋值为1；
步骤1094、将I的值增加1；
步骤1095、如果I≥N-1，转步骤1096，否则，转步骤1092；
步骤1096、初次波峰判定结束。
步骤110、对增强布里渊谱数据DZ所有标记为波峰的点进行初次筛选。
如图4所示，初次筛选原则为：如BSZ[I]为1，则判定临时布里渊谱数据DL[I]是否为DL[I-2]～DL[I+2]五个点中的最大值，如DL[I]是最大值，则BSL[I]赋值为1，否则BSL[I]赋值为0。
具体筛选方法如下：
步骤1101、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1102、如果BSZ[I]为1，转步骤1103，否则转步骤1104；
步骤1103、如果DL[I]为DL[I-2]～DL[I+2]中最大值，转步骤1105，否则转步骤1104；
步骤1104、将BSL[I]赋值为0，转步骤1106；
步骤1105、将BSL[I]赋值为1；
步骤1106、将I的值增加1；
步骤1107、如果I≥N-1，转步骤1108，否则，转步骤1103；
步骤1108、初次筛选判定结束。
步骤111、读取脉冲宽度参数PW。
步骤112、根据脉冲宽度PW，计算半峰带宽参考参数BW，半封带宽参考参数BW计算原则见表1。
表1 脉冲宽度PW与半峰带宽参考参数BW关系表
| 脉冲宽度PW | 半峰带宽参考参数BW |
| 5ns | 200MHz |
| 10ns | 100MHz |
| 20ns | 60MHz |
| 50ns及50ns以上 | 40MHz |
步骤113、读取频率间隔参数FG。
步骤114、对临时布里渊谱波峰标记数据BSL中所有值为1的点进行二次筛选。
如图5所示，二次筛选原则如下：如BSL[I]为1，则寻找点D[IL]<D[I]-3(IL<I)，I左侧第一个值小于D[I]-3的点即为IL；寻找点D[IR]<D[I]-3(IR>I)，I右侧第一个值小于D[I]-3的点即为IR，如IR-I<BW/2并且I-IR<BW/2，则BSL[I]赋值为0。
具体筛选步骤如下：
步骤1141、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1142、如果BSZ[I]为1，转步骤1143，否则转步骤1144；
步骤1143、计算IL；
步骤1144、将BSL[I]赋值为1，转步骤1148；
步骤1145、计算IR；
步骤1146、如果IR-I≤BW/2并且I-IL≤BW/2，转步骤1147，否则转步骤1144；
步骤1147、将BSL[I]赋值为0，转步骤1148；
步骤1148、将I的值增加1；
步骤1149、如果I≥N-1，转步骤1108，否则，转步骤1103；
步骤11410、二次筛选判定结束。
其中，上述步骤1143中，IL的计算过程如图6所示，包括如下步骤：
步骤11431、初始化J的值为I-1；
步骤11432、如果J≥0，转步骤11433，否则转步骤11434；
步骤11433、如果DL[J]≤1dB，转步骤11436，否则转步骤11435；
步骤11434、将IL赋值为0，转步骤11437；
步骤11435、将I的值减1，转步骤11432；
步骤11436、将IL赋值为J；
步骤11437、计算IL过程结束。
上述步骤1145中，IR的计算过程如图7所示，包括如下步骤：
步骤11451、初始化J的值为I+1；
步骤11452、如果J≤N-1，转步骤11453，否则转步骤11454；
步骤11453、如果DL[J]≤1dB，转步骤11456，否则转步骤11455；
步骤11454、将IR赋值为N-1，转步骤11457；
步骤11455、将I的值减1，转步骤11452；
步骤11456、将IR赋值为J；
步骤11457、计算IL过程结束。
步骤115、将BSL[I]的值依次对应赋给BS[I]，0＜I＜N-1，输出布里渊谱波峰标记数据BS，BS数据中值为1的点即为波峰。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (7)
1.一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤101、读取布里渊谱数据频点数N、以及布里渊谱数据D[0]～D[N-1]；
步骤102、计算布里渊谱数据D[0]～D[N-1]中的最大值DMAX；
步骤103、判断布里渊谱数据信噪等级SL；
步骤104、将布里渊谱数据D中所有小于噪声阈值NT的点置为0，生成临时布里渊谱数据DL[0]～DL[N-1]；
步骤105、如果信噪等级SL≤2，执行步骤106，否则执行步骤107；
步骤106、对布里渊谱数据D[0]～D[N-1]进行数据增强，得到增强布里渊谱数据DZ[0]～DZ[N-1]；
步骤107、复制布里渊谱数据D[0]～D[N-1]，得到增强布里渊谱数据DZ[0]～DZ[N-1]；
步骤108、建立增强布里渊谱波峰标记数据BSZ[0]～BSZ[N-1]、临时布里渊谱波峰标记数据BSL[0]～BSL[N-1]、布里渊谱波峰标记数据BS[0]～BS[N-1]，并全部初始化为0；
步骤109、初步寻找增强布里渊谱数据DZ中的波峰点；
步骤110、对增强布里渊谱数据DZ所有标记为波峰的点进行初次筛选；
步骤111、读取脉冲宽度参数PW；
步骤112、根据脉冲宽度PW，计算半峰带宽参考参数BW；
步骤113、读取频率间隔参数FG；
步骤114、对临时布里渊谱波峰标记数据BSL中所有值为1的点进行二次筛选；
步骤115、将BSL[I]的值依次对应赋给BS[I]，0＜I＜N-1，输出布里渊谱波峰标记数据BS，BS数据中值为1的点即为波峰。
2.根据权利要求1所述的一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，其特征在于，所述步骤103中，布里渊谱数据信噪等级SL判定方法如下：
步骤1031、如果DMAX≤50dB，转步骤1032，否则转步骤1033；
步骤1032、信噪等级SL为1，噪声阈值NT为40dB，转步骤1038；
步骤1033、如果50＜DMAX≤60dB，转步骤1034，否则转步骤1035；
步骤1034、信噪等级SL为2，噪声阈值NT为45dB，转步骤1038；
步骤1035、如果60＜DMAX≤70dB，转步骤1036，否则转步骤1037；
步骤1036、信噪等级SL为3，噪声阈值NT为50dB，转步骤1038；
步骤1037、信噪等级SL为4，噪声阈值NT为55dB；
步骤1038、布里渊谱数据信噪等级SL判定结束。
3.根据权利要求1所述的一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，其特征在于，所述步骤109中，初次波峰判定方法如下：
步骤1091、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1092、如果DZ[I]为DZ[I-2]～DZ[I+2]中的最大值，转步骤1093，否则转步骤1094；
步骤1093、将BSZ[I]赋值为1；
步骤1094、将I的值增加1；
步骤1095、如果I≥N-1，转步骤1096，否则，转步骤1092；
步骤1096、初次波峰判定结束。
4.根据权利要求1所述的一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，其特征在于，所述步骤110中，初次筛选判定方法如下：
步骤1101、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1102、如果BSZ[I]为1，转步骤1103，否则转步骤1104；
步骤1103、如果DL[I]为DL[I-2]～DL[I+2]中最大值，转步骤1105，否则转步骤1104；
步骤1104、将BSL[I]赋值为0，转步骤1106；
步骤1105、将BSL[I]赋值为1；
步骤1106、将I的值增加1；
步骤1107、如果I≥N-1，转步骤1108，否则，转步骤1103；
步骤1108、初次筛选判定结束。
5.根据权利要求1所述的一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，其特征在于，所述步骤114中，二次筛选判定方法如下：
步骤1141、初始化I＝1，0＜I＜N-1；
步骤1142、如果BSZ[I]为1，转步骤1143，否则转步骤1144；
步骤1143、计算IL；
步骤1144、将BSL[I]赋值为1，转步骤1148；
步骤1145、计算IR；
步骤1146、如果IR-I≤BW/2并且I-IL≤BW/2，转步骤1147，否则转步骤1144；
步骤1147、将BSL[I]赋值为0，转步骤1148；
步骤1148、将I的值增加1；
步骤1149、如果I≥N-1，转步骤1108，否则，转步骤1103；
步骤11410、二次筛选判定结束。
6.根据权利要求5所述的一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，其特征在于，所述步骤1143中，IL的计算过程如下：
步骤11431、初始化J的值为I-1；
步骤11432、如果J≥0，转步骤11433，否则转步骤11434；
步骤11433、如果DL[J]≤1dB，转步骤11436，否则转步骤11435；
步骤11434、将IL赋值为0，转步骤11437；
步骤11435、将I的值减1，转步骤11432；
步骤11436、将IL赋值为J；
步骤11437、计算IL过程结束。
7.根据权利要求5所述的一种BOTDR布里渊散射谱寻峰方法，其特征在于，所述步骤1145中，IR的计算过程如下：
步骤11451、初始化J的值为I+1；
步骤11452、如果J≤N-1，转步骤11453，否则转步骤11454；
步骤11453、如果DL[J]≤1dB，转步骤11456，否则转步骤11455；
步骤11454、将IR赋值为N-1，转步骤11457；
步骤11455、将I的值减1，转步骤11452；
步骤11456、将IR赋值为J；
步骤11457、计算IL过程结束。
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